Proteine: Aufnahmen in atomarer Auflösung

15.02.2013

Foto: Protein-Entfaltung

„Schnappschüsse“ bei der Entfaltung des CylR2-Protein aus Enterococcus faecalis; © MPIbpc/DZNE, Zweckstetter

Wenn Proteine ihre Form verlieren, können die Folgen fatal sein. Sie bilden manchmal unlösliche, toxische Klumpen, die neurodegenerative Erkrankungen auslösen können. Die graduelle Entfaltung wurde nun „gefilmt“.

Ob Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington – alle drei Erkrankungen haben eine gemeinsame Ursache: Falsch gefaltete Proteine lagern sich im Gehirn der Betroffenen zu Klumpen zusammen und zerstören die Nervenzellen. Eine der wichtigsten Fragen der Biowissenschaften und Medizin ist daher, wie Proteine ihre dreidimensionale Form erlangen oder verlieren. Was genau passiert, wenn Proteine sich falten oder entfalten, konnte man bisher nur schwer untersuchen. Mit Hitze und Druck verliert ein Protein zwar leicht seine Form. Doch um es bei seinem Entfaltungsprozess direkt zu beobachten, sind die gängigen Methoden nicht geeignet. Seine Zwischenformen bei der Proteinentfaltung sind viel zu kurzlebig.

Mit einem neuen Ansatz ist es Forschern jetzt erstmals gelungen, den komplexen Prozess der Proteinentfaltung zu „filmen“. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie (MPIbpc) und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) am Standort Göttingen haben gemeinsam mit Kollegen der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau und der Universität Warschau in atomarer Auflösung sichtbar gemacht, wie ein Protein schrittweise „außer Form“ gerät. Dabei setzten sie auf Kälte. „Wird ein Protein langsam abgekühlt, reichern sich seine Zwischenstufen in größerer Menge an als bei gängigen Methoden wie Hitze, Druck oder Harnstoff. Unsere Hoffnung war, dass diese Mengen ausreichen, um sie mit der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie zu untersuchen“, so Markus Zweckstetter, Leiter der Forschungsgruppen.

Als Untersuchungsobjekt wählte das Team ein Protein in Enterococcus faecalis, ein häufig in Krankenhäusern anzutreffender Erreger, der besonders Patienten mit einem schwachen Immunsystem gefährdet. Das sogenannte CylR2 ist nicht nur biologisch interessant. Vor einiger Zeit konnten Forscher um Stefan Becker am MPIbpc zeigen, dass die Struktur von CylR2 es zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Ansatz der Göttinger Wissenschaftler macht. „ClyR2 ist ein relativ kleines Protein aus zwei identischen Untereinheiten. Die Chance war daher groß, dass sich die einzelnen Schritte bei seiner Entfaltung im Detail sichtbar machen lassen“, erklären die Chemiker Mariusz und Lukasz Jaremko.

Die beiden Chemiker kühlten das Protein schrittweise von 25°C auf -16°C ab und untersuchten es mithilfe der NMR-Spektroskopie – mit Erfolg. Ihr „Filmclip“ zeigt, wie sich das Protein schrittweise immer weiter entfaltet. Zweckstetter beschreibt, was dabei passiert: „Man sieht, wie das CylR2-Protein schließlich in seine beiden Untereinheiten zerfällt. Die einzelne Untereinheit ist zunächst relativ stabil. Bei weiterer Abkühlung entfaltet sich diese weiter und wird bei -16°C äußerst instabil und dynamisch. Diese instabile Proteinform bildet den Ausgangspunkt für die Faltung und kann auch der Auslöser sein, dass CylR2 außer Form gerät.“ Die Erkenntnisse der Göttinger Wissenschaftler können dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Proteine ihre räumliche Struktur annehmen und warum sich Zwischenformen bestimmter Proteine im Krankheitsfall falsch falten.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (MPIbpc)